‘1g으로 축구장을 덮는다？’ 나노다공성 MOF 신물질 개발

1g의 신물질로 축구장 크기의 운동장을 덮을 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

교육과학기술부는 ‘21세기 프론티어사업’ 고효율 수소에너지 제조·저장·이용기술개발사업단의 지원을 받은 숭실대 김자헌 교수팀이 미국 캘리포니아대 야기 교수팀과 공동으로 유기분자와 금속 이온을 결합시켜 세계에서 가장 큰 표면적을 갖는 나노다공성 하이브리드 화합물인 MOF(Metal-Organic Framework) 신물질 개발에 성공했다고 4일 밝혔다. 이번 연구는 지난 1일 사이언스지 인터넷판에 게재됐다.

김 교수팀은 2007년에도 세계 최대 수준의 4.7nm 크기의 공동을 갖는 하이브리드 화합물 MOF의 합성을 성공한 바 있다.

이번 연구결과 김 교수팀은 비슷한 기공 크기를 유지하면서도 훨씬 가벼운 소재를 사용해 적은 양으로 매우 큰 표면적을 구현할 수 있는 신물질 개발에 적용했다.

다공성물질이란 내부에 1∼100 nm 크기의 빈 공간을 갖는 물질이다. 특히 다공성 하이브리드 MOF는 매우 규칙적으로 배열된 균일한 크기와 모양의 기공을 가지고 있어서 촉매나 기체 저장물질로 유용하게 이용될 수 있다.

이번에 김 교수팀이 개발한 나노다공성 MOF는 1g이 1만㎡(100m×100m) 크기의 운동장을 덮을 수 있을 정도로 세계 최대 표면적을 갖는 기초원천소재이다. 이 값은 기존의 다공성물질보다 무려 60%나 증가된 것이며 다공성 물질이 가질 수 있는 최고값에 근사한 것으로 추정되고 있다.

신물질 MOF는 수소 연료 자동차나 가정용 연료전지의 작동에 필수적인 수소 저장 물질 개발과 이산화탄소 저장 기술에 유용할 것으로 보인다.

이 물질을 사용하면 현재 수소저장을 위해 사용 중인 700기압 고압용기에 저장하는 양의 수소를 -196도에서 1/7의 낮은 압력으로 저장할 수 있어 안전하게 많은 양의 수소를 저장할 수 있다.

또한 이번에 개발된 신물질 1g은 이산화탄소를 상온 50기압에서 2.9g이나 저장할 수 있기 때문에 이산화탄소를 지중 매설하기 전에 지상에서 임시 보관하는 데도 유용하게 사용할 수 있다.

프론티어 수소사업단 김종원 단장은 “다량의 수소를 저장할 수 있는 새로운 재료의 필요성이 대두되는 시점에서 다공성 물질의 표면적 향상은 저장용량의 증대로 이어져 수소뿐만 아니라 이산화탄소의 포획과 같은 생태학적 응용에도 새로운 지평을 열 것”으로 전망했다.

/[e-mail]김태호기자